Разновидности
В зависимости от силы тока различают три разновидности плазменной сварки:
микроплазменная (Iсв = 0,1–25А);
на средних токах (Iсв = 50–150А);
на больших токах (Iсв > 150А).
Микроплазменная сварка
Наиболее распространенной является микроплазменная сварка. В связи с достаточно высокой степенью ионизации газа в плазмотроне и при использовании вольфрамовых электродов диаметром 1–2 мм плазменная дуга может гореть при очень малых токах, начиная с 0,1 А.
В настоящее время отработаны технологии сварки металлов малых и средних толщин до 5…12 мм - с одной стороны (как одним, так и совмещённым излучением) и до 16 мм - с двух сторон.
Лазерную сварку следует рекомендовать к применению, когда необходимо получить следующие требования к изделию:
получение прецизионной конструкции, размеры которой практические не должны меняться;
малой зоны термического влияния;
минимальных остаточных напряжённых состояний;
высокой коррозионной стойкости, а также других требований, при которой другие технологии изготовления сварной конструкции не могут выполнить данные условия.
Качество и надежность сварных соединений, выполняемых лазерным лучом, в значительной степени определяются точностью сборки элементов под сварку. Необходимая точность сборки достигается подготовкой свариваемых кромок на металлорежущих станках (строганием, фрезерованием, точением).
Поверхность металла в зоне сварки следует очищать от окалины, ржавчины, других загрязнений, а также от влаги. Указанные загрязнения и влага создают условия для образования пористости, оксидных включений, а в некоторых случаях и холодных трещин в металле шва и зоне термического влияния за счет насыщения водородом. Зачищать свариваемые поверхности следует щетками из нержавеющей стали на участке не менее 10-15 мм как выше, так и ниже свариваемых кромок. Зачищаются также торцевые поверхности, прилегающие к свариваемым участкам. После зачистки место сварки рекомендуется обезжирить.
Сборка под сварку должна обеспечивать возможность тщательной подгонки кромок по всей длине шва с минимальным зазором и перекосом кромок. При толщине свариваемого материала >1,0 мм зазор не должен превышать 5-7% толщины (не более 0,1 мм). Смещение одной кромки относительно другой по высоте не должно превышать 20-25 % от толщины свариваемых деталей (не более 0,5 мм). При сборке под сварку не рекомендуются прихватки. В случае необходимости прихватки следует выполнять лучом лазера. Защищать поверхности шва от окисления следует гелием или смесью гелия с аргоном в соотношении 2:1, а также аргона с углекислым газом при соотношении 3:1, подаваемыми через специальное сопло. Корень шва с обратной стороны рекомендуется защищать аргоном. В некоторых случаях при сварке низкоуглеродистых сталей допускается отсутствие защиты шва. Характерные режимы непрерывной лазерной сварки некоторых сталей обеспечивают сочетание формирования качественного шва, высокой технологической прочности и высоких механических свойств сварного соединения.
Рис. Геометрия канала проплавления (КП) и зоны расплава (КР) в продольном сечении по оси шва (СИ — сфокусированное лазерное излучение; Ж — факел над поверхностью; Н — глубина проплавления; Zо — зона прямого облучения;
Zп — зона перетяжки сфокусированного излучения; Z — граница области устойчивого и неустойчивого проплавления.
Приведем перечень основных особенностей и преимуществ лазерной сварки:
Высокая производительность процесса, характерные скорости сварки могут достигать 200-400 м/час (55…110 мм/сек), а при использовании лазерно-дуговой технологии и до 2000 м/час.
Возможность сварки самого широкого спектра марок сталей, сплавов и материалов - от высоколегированных высокоуглеродистых марок стали до сплавов меди и титана, керамики и стекла.
Возможность сварки разнородных металлов.
Отсутствие присадочных материалов.
Возможность сварки встык листов металла достаточно большой толщины за один проход.
Отличные свойства металла шва и околошовной зоны, во многих случаях механические свойства металла шва не хуже свойств основного металла, а иногда и выше.
Малая ширина зоны термического влияния и малый уровень деформаций, примерно в 3-5 раз ниже, чем при дуговой сварке.
Возможность сварки в труднодоступных местах и разных пространственных положениях.
Хорошая управляемость и гибкость процесса, возможность полной автоматизации.
Возможность транспортировки лазерного излучения от источника на значительные расстояния, а для волоконных лазеров и по оптическому световоду.
Экологическая чистота процесса, определяется отсутствием флюсов и других сварочных материалов
Применение лазеров для сварки металлов наиболее хорошо изучено, отработано и позволяет сваривать, как миниатюрные детали с размерами несколько микрометров, так и крупные детали с толщиной стенок 10 мм и более. При этом лазерная сварка позволяет получать надежные сварные соединения разнородных материалов, например, алюминия со свинцом, а также тугоплавких металлов, как вольфрама с молибденом.
Лазерная сварка имеет ряд преимуществ не только перед традиционными способами сварки, например, газовой и дуговой сваркой, но и перед такими современными способами сварки, как микроплазменная и электроннолучевая сварка.
Малая расходимость лазерного излучения позволяет получать большие плотности мощности энергии (более 108 Вт/см2) и, следовательно, использовать режим сварки с глубоким проплавлением, характерный для электронно-лучевой сварки.
Лазерное излучение легко может быть сфокусировано в нужном месте с использованием отражающей оптики и направлено в труднодоступные места. При этом для лазерной сварки не нужно вакуума, как в электронно-лучевой сварке, или какой-либо специальной среды [1].
При аргонодуговой сварке все геометрические размеры детали, вследствие больших тепловых вложений, выходят за поле допуска, поэтому приходится закладывать припуски на последующую механическую обработку, так как выдержать допуски в десятки микрон на геометрические размеры свариваемой детали – перпендикулярность, параллельность, овальность отверстия практически осуществить невозможно.
Переход на импульсную лазерную сварку позволил сохранить все геометрические размеры детали в микронном поле допуска и сделать технологическую операцию импульсной лазерной шовной сварки окончательной сборочной операцией.
Импульсная лазерная шовная сварка производилась на твердотельном технологическом лазере модели HTF -100.
Восстановление прессформ
|
Ряд проблем инструментального производства, связанных с ремонтом и изготовлением технологической оснастки, могут быть успешно решены с использованием лазерных технологий - лазерной сварки, наплавки (подварки), термообработки, разметки и маркировки, прошивки отверстий. Трудоемкость ремонта при изготовлении и восстановления изношенных пресс-форм, технологической оснастки составляет значительный объем в трудозатратах инструментального производства. Различного рода дефекты, которые возникают в процессе изготовления и эксплуатации технологической оснастки могут успешно устраняться с помощью технологии импульсной лазерной подварки. К такого рода дефектам можно отнести задиры, глубокие царапины, забоины, запилы, поры, раковины, трещины. Устранение данных дефектов традиционным методам подварки например, штучными электродами трудоемко и дорогостояще, так как после наплавки и термообработки геометрические размеры могут выйти за поле допуска. Технология лазерной наплавки (подварки) позволяет исключить этот недостаток, сохранить геометрические размеры подвариваемой детали в поле допуска, даже если они составляют несколько микрон. Твердость в зоне наплавки (подварки) остается на уровне твердости основного материала, а последующая механическая обработка места дефекта сводится к минимуму. Следует отметить, что время, необходимое для устранения дефекта с помощью лазерной наплавки (подварки) составляет от нескольких секунд до нескольких десятков минут в зависимости от геометрических размеров дефекта и энергетики луча лазера. Технологический процесс лазерной наплавки (подварки) представляет собой одновременный подвод к месту дефекта лазерного излучения и присадочной проволоки (рис. 1).
Присадочный материал, расплавляясь, заполняет место дефекта. Для предотвращения окисления места дефекта подварка ведется в среде защитных газов, например, аргона. После лазерной наплавки (подварки) требуется минимальная, по сравнению с традиционным методом подварки штучными электродами, механическая обработка. Высокая точность наведения лазерного луча на место дефекта, локальность действия лазерного излучения позволяет исправить строго определенные участки дефектных деталей. Кратковременность протекания процесса (длительность импульса составляет несколько милисекунд), а также точная дозировка энергии обеспечивает минимальные зоны термического влияния и отсутствие поводок. Лазерная наплавка (подварка) позволяет значительно снизить трудоемкость и себестоимость ремонта, за счет исключения предварительного подогрева, последующей термообработки, снятия и нанесения хромистого покрытия, а также значительного уменьшения объема последующей механообработки. Основные преимущества технологии лазерной подварки по сравнению с электродуговой подваркой штучными электродами показана в таблице №1.
В разработанных технологиях лазерной подварки наиболее существенным недостатком, до последнего времени, являлось только прямолинейное распространение луча лазера. Поэтому ремонт оснастки сложной геометрической конфигурации зачастую становился невозможным, так как не обеспечивался подвод лазерного луча к месту дефекта. Для устранения этого недостатка разработана система доставки лазерного луча к месту дефекта на основе световолоконной оптики. Длина световода позволяет обрабатывать крупногабаритные прессформы имеющие геометрические размеры в несколько метров. С помощью разработанной технологии импульсной лазерной подварки выполняются следующие виды работы: - восстановление кромок рабочих поверхностей пресс-форм и штамповой оснастки при случайном их занижении при механической обработке; - восстановление площадок заниженных рабочих поверхностей; - ремонт поверхностных трещин глубиной до 3 мм; - ремонт образующихся подрезов после наплавки штучными электродами; - подварка мест проб на твердость по Роквеллу; - подварка задиров, сколов, забоин, раковин, пор; - восстановление изношенных поверхностей штампов и пресс-форм, например, мест адгезионного схватывания; - сварка калибров, мерительных скоб сложных конфигураций, прошедших предварительную цементацию. |
Лазерный луч обеспечивает ряд способов соединия металлов: можно соединять части на поверхности или производить глубокую сварку. Можно объединить с обычными сварочными методами и, дополнительно, использоваться для спаивания.
Материалы с высокой точкой плавления также как и с высокой теплопроводностью могут быть сварены, используя лазер. Из-за маленького объема расплавленного материала и короткого, управляемого времени плавления, некоторые материалы могут быть соединены, которые иначе не могут быть сварены. Материалы присадки могут использоваться, если необходимо. Даже, когда сварка шва ведется непрерывным лазерным лучом, зона теплового воздействия и полного нагревания - все же значительно меньше, чем дуговой или плазменной сваркой. Доставляемая энергия может хорошо контролироваться, регулироваться и поддерживаться или точно управляться.